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科学瞎想系列之五十一 电流传感器(1)

搞电的宝宝们经常会和电流、电压之类的东东打交道,电压的测量比较方便,只需把电压表的两端直接怼到被测的两点上就可轻松测得这两点之间的电压,当然在高电压场合这样干会电死宝宝,因此也需要电压传感器,但电压传感器通常是并联在被测回路中,无需截断电路。而电流就比较麻烦了,因为电流是在导体内部流通的,要直接测量通过某段导体的电流,必须要把这段导体截断,将电流表串联到导体中才能量测到,这就需要对电路的结构大折腾,想想如果要测量空架线或传输电缆中的电流必须把它剪断串入测量装置会多麻烦,测量完再恢复原状又有多困难,更糟糕的是不仅很麻烦,而且往往电流表的量程很小,若被测电流很大时是不能直接将电流表直接串到电路里的,否则会烧毁电流表等测量装置。怎么办呢?于是电流传感器便应运而生。

电流传感器是一种电流检测装置,它能感受到被测电流的信息,并将其按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。常见的电流传感器有三种类型: 电磁式电流传感器(即电流互感器)、分流器和电子式电流传感器,其中电子式电流传感器又有霍尔传感器、罗柯夫斯基电流传感器(罗氏线圈)及专用于变频电量测量的AnyWay变频功率传感器(可用于电压、电流和功率测量)等。接下来老师就分三期给宝宝们说说各种电流传感器的事。

先说电流互感器。电流互感器是最为常见的一种电流传感器,它是采用电磁感应的原理制造而成的,其实电流互感器就是一个特殊的变压器,其特殊之处在于原边只有一匝或很少的几匝(通常是将被测导体穿过电流互感器的铁心窗口即为一匝线圈),而副边匝数较多,根据变压器的原理,原、副边电流之比就等于副边匝数与原边匝数之比(即所谓电流与匝数成反比,I1/I2=n2/n1),这样如果知道了原、副边的匝数比,我们就可以通过测得的副边电流来推算出原边(被测)电流。又由于原边匝数很少,副边匝数很多,根据电流与匝数成反比的规律,电流互感器就可以把原边很大的被测电流转换成副边很小的电流信号以满足二次仪表的量程。更主要的是,采用电流互感器测量电流只需将被测载流导体穿过互感器的窗口即可,无需截断导体,这就避免了对电路做大的折腾。说到这儿可能宝宝们都烦了,这种浅显易懂的道理谁不知道!还用你在这里啰里罗嗦地瞎得瑟!呵呵!如果你只知道这些那就太小儿科了!老师要只知道这些那就太不配给宝宝们当老师了!请宝宝们继续耐心听老师讲一讲有关电流互感器你所不知道的东东,看看老师怎么把这小小的电流互感器讲出花来!

1 先从变压器的原理说起,平时我们说的变压器原副边电压与匝数成正比,电流与匝数成反比,严格讲是不严谨或说不正确的,这只是一个近似关系,是忽略了一些次要因素才成立,忽略了哪些因素呢?电压与匝数成正比是忽略了漏阻抗压降才成立,电流与匝数成反比是忽略了激磁电流(空载分量)才成立。严格讲应该是原副边的感应电势与匝数成正比,原边电流的负载分量与副边电流之比与匝数成反比。今天讲电流互感器,我们就重点说说电流比的问题,至于电压比宝宝们去自学去。学过电机学的宝宝们都知道,变压器原边电流包括两个分量,一是空载分量(即激磁电流),二是负载分量,二者还存在一定的相位差,其中空载分量负责产生磁通,它与电势成90度相位差,负载分量与副边电流产生的磁势相互平衡抵消,二者不仅大小之比与匝数成反比,而且相位也正好相反。由于变压器的磁路是无气隙的铁磁材料构成,因此产生一定的磁通只需极小的激磁电流即可,空载分量远小于负载分量(通常变压器的空载电流不足额定电流的1%),可忽略不计,这样原边电流就近似认为与其负载分量相等,因此才有了原副边电流与匝数成反比的说法。若不忽略空载分量,则不仅大小成反比关系不成立,相位上也会出现偏差,因此在电流互感器中要想利用电流与匝数成反比这个关系得到精确的测量结果,必须将激磁电流尽可能地减小。而激磁电流的大小不仅取决于铁心磁阻(铁心材料、截面、长度等),还取决于二次侧所带的负载大小,即二次仪表的阻抗。二次仪表的阻抗大则二次侧的电压就高,需要的磁通就大,激磁电流就大,因此要减小激磁电流,一方面需要尽量减小二次侧的负载阻抗,另一方面还要根据二次侧阻抗大小选择足够大的铁心截面以减小磁路的磁阻,否则铁心饱和,磁阻会更大,相应的激磁电流也会更大。这就是为什么容量大的电流互感器体积也大的原因。

2 宝宝们都知道,变压器是用来改变交流电压或电流的,对于直流电,变压器则无能为力,因此不能用电流互感器来检测直流电流。不仅如此,根据那个著名的4.44公式,同样的负载电压,频率低时需要的磁通会大,导致铁心趋于饱和,从而增加激磁电流,影响检测精度。对于一个设计一定的互感器,不仅不能用来检测直流电流,而且检测频率低的交流电流其精度和测量范围也会大打折扣。那么检测频率高的电流又会怎样呢?通常频率高出设计值不多还可以凑合着用,甚至精度会更高些,但偏离设计值过多,也是不行的,因为铁心除了有个饱和问题,还有个铁耗问题,频率过高,铁耗会急剧增大,同样影响检测精度。由此可见,电流互感器的频率特性较差,所能适应的频率范围很窄,通常对于一个按工频设计的电流互感器只能用于工频(或接近工频)电流的检测,不适用于宽频范围和任意波形交流电流的检测,更不能用于直流电流检测。

3 由于互感器是一个电磁器件,由铁心和线圈组成,其电磁时间常数较大,使得在瞬变状态下,输出存在较大的滞后现象,因此它不太适用于瞬态电流和控制中电流采样的实时检测。

4 前面说了,电流互感器不适于宽频、实时、瞬态电流检测,那么它能适于哪些应用场合呢?主要有三种 : 一是计量,用来测量电流,二次仪表就是电流表; 二是保护,通过检测被测电流是否超过所设置的阀值,来使保护装置动作,二次侧接信号处理装置; 三是特殊场合。对于计量用的互感器,其追求的指标就是测量精度、转换的线性度、抗干扰性能等 ; 对于保护用互感器,其检测精度、线性度不是最重要,更重要的是它的过载能力,因为通常它是在系统严重过载、短路等故障情况下才起作用,而这些情况下的电流通常要比正常情况下大出许多倍,因此需要互感器有很强的过载能力,电磁负荷选得要比较低,过载时不能烧毁,要能承受极端情况下的电磁力冲击,至于精度等指标可以通过阀值的整定设置来弥补,因此精度不是问题 ; 关于特殊场合用的电流互感器那品种就多了去了,举一个例子,发电机相复励励磁系统中要有强励电流互感器,它的作用一是为发电机提供复励电流分量,二是当系统发生短路故障时,为发电机提供强励电流,以短时支撑电网电压和维持足够大的短路电流,直至故障处保护装置动作切除故障点,这种互感器同样对精度要求不高,但它要提供足够大的励磁功率,因此它更是一个功率器件,有容量要求,另外对它还有一个非常重要的要求,那就是当输出达到一定功率时铁心要进入饱和状态,即不再对原边电流呈线性转换,以限制输出电流不能过大,否则将造成发电机严重过流而烧毁,按照有关标准和规范,发电机短路电流维持能力应为维持短路电流在3~5倍额定电流持续5秒,如果互感器不饱和会使发电机短路电流倍数超过5倍,危及发电机安全。

5 宝宝们都知道电流互感器副边不能开路,不用时只能短路,这是为什么呢?如果副边开路又会怎么样?这又是为什么?前面老师说了,原边的电流由两部分组成,一是激磁分量,二是负载分量,负载分量的磁势被二次侧电流磁势所抵消,因此只剩下激磁分量的磁势很小,产生的磁通也很少,如果副边开路,就没有抵消负载分量的磁势,此时原边电流将全部变成激磁电流,且原边电流只取决于被测支路电流,很大,加之互感器的铁心是无气隙的铁磁材料构成,磁阻很小,在很大的激磁电流下将产生很大的磁通,从而产生很高的二次侧电压,轻则击穿二次侧绝缘,重则伤及宝宝的性命,另外由于铁心内磁通很大,铁心严重饱和,会使互感器发热甚至烧毁。因此电流互感器在不用时应将二次侧短路,宝宝们切记!

怎么样,老师这12345讲的是不是你没想到或至少是你没想全的!好了,今天的课就到这里,下一期老师再把另一种电流传感器------分流器给宝宝们讲出个花来!下课!

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下

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原始发表时间:2017-06-08

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